第３９卷第２期红水河Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．２２０２０年４月ＨｏｎｇＳｈｕｉＲｉｖｅｒＡｐｒ．２０２０
基于ＴＥＬＥＭＡＣ－３Ｄ的水库低温水下泄河段
水温恢复过程模拟预测研究
张海东１，韦㊀兵１，安贺东２，朱㊀健１，喻国良２
（１．广西泰能工程咨询有限公司，广西㊀南宁㊀５３００２３；
２．上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海㊀２００２４０）
摘㊀要：笔者以百水利枢纽工程为例，运用ＴＥＬＥＭＡＣ－３Ｄ开源模拟系统模拟计算５月份百水利枢纽工程下泄河段沿程的水温恢复情况，并结合不同断面实测数据进行了对比分析，研究结果说明该方法在下泄河段一定距离内具有较好的精确性，同时模拟结果具有较好的可视性，可以为水库下泄低温水的时空变化研究和水库运行管理提供一定的参考价值㊂
关键词：ＴＥＬＥＭＡＣ－３Ｄ；低温水；水库；水温恢复；模拟；百水利枢纽工程
中图分类号：ＴＶ６９７．２１文献标识码：Ａ文章编号：１００１－４０８Ｘ（２０２０）０２－０００７－０３
０㊀引言
水温预测是大型水库水环境影响中的重要研究
内容之一，在水库的规划设计和运用管理中起着非
常重要作用，对于水资源开发利用的可持续发展具
有重大意义㊂水库下泄低水温的变化对库区及下游
河段的水生生物㊁河谷林草㊁农田灌溉和生活用水3d预测专家推荐
等将产生重大影响［１－３］，因此，水库水温分层及其低温水下泄也是水利水电工程建设关注的重要环境
问题之一㊂依据水库的水温分布规律，提供合理可
靠的下泄水温数据，对水库的规划设计和运用管理
及下游生态㊁环境保护都是必要的工作内容㊂因
此，研究水库低温水下泄河段水温恢复变化过程，
对于工程的环境保护㊁水库下游生态修复和工程的
运行均有重要意义㊂
为了准确计算水库下泄低温水的时空变化，许
多学者进行大量的研究，目前对河流水温主要采用
数值计算法和经验公式进行计算和预测㊂前者通过
分析影响水温的主要因子，根据热量㊁质量平衡原
理建立数学模型，具有一定的普遍性，精度也较
高，但计算较为复杂；后者主要有代表层水温法㊁
类比法和图解模型法，但其只适用于某些特殊情
况，不能普遍应用，精度也较差［３－５］㊂本文以已建百水利枢纽工程下游的河道为研究对象，利用基于有限单元法和有限体积法的开源模型ＴＥＬＥＭＡＣ－３Ｄ，模拟计算５月份百枢纽工程下泄河段沿程的水温恢复情况，并结合实测数据进行了对比分析，以期了解低温水对沿程水环境的影响㊂
１㊀数学模型及计算区域
１．１㊀ＴＥＬＥＭＡＣ－３Ｄ模型简介
ＴＥＬＥＭＡＣ－３Ｄ是一套用于自由表面流的开源模拟系统，采用非结构化网格有限元模型和有限元方法求解，由法国国家水力学与环境实验室开发，模型在平面上可采用非结构网格进行离散，因此对复杂地形和岸线的适应能力强㊂此外，该模型可采用灵活的垂向离散方式，并提供了多种湍流模型与高效稳定的迭代算法，同时，针对水陆边界变化复杂的特点设置了相应的动边界处理技术㊂
该开源软件已经广泛应用于废水排放浮力或负浮力射流模拟，水流受到风力或密度因素影响的冲洗评估，潮汐发电计划的影响评估，河口或水库的垂直分层水体的水流模拟等方向［６］㊂经过２０多年的不断发展与完善，至今已在河流㊁湖泊㊁河口海岸等自然水域的水动力要素和物质传输的模拟计算得到了广泛的应用㊂
１．２㊀计算区域及模型设置
１．２．１　计算区域
百水利枢纽工程位于郁江上游右江上，位于
㊀㊀收稿日期：２０１９－０９－２７；修回日期：２０１９－１０－１８
㊀㊀作者简介：张海东（１９８３），男，广西钦州人，高级工程师，硕士，主要从事环境影响评价工作，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｈａｉｄｏｎｇ＿７＠ｑｑ．ｃｏｍ㊂
７
㊀红水河２０２０年第２期
百市上游２２ｋｍ处，是一座以防洪为主，兼有发电的大型水利工程㊂模拟区域取为百水利枢纽至那吉水利枢纽之间的郁江河段，模拟区域内河道总长约为７０ｋｍ㊂其中百水利枢纽至百市河段河道长约为２０ｋｍ，平均坡降为４．０１ɢ；百市至那吉水利枢纽段河道长约为５０ｋｍ，平均坡降为０．１７ɢ㊂模拟区域内有澄碧河和福禄河两条支流，由于福禄河支流河道宽度和流量相对于郁江干流河道宽度和流量而言很小，因此在数值模拟的过程中忽略福禄河河道来流对郁江干流水温恢复的影响，仅考虑在百市内汇入郁江的澄碧河支流㊂
模拟区域内地形如图１所示
㊂
图１㊀计算区域内地形图
１．２．２㊀参数设置
由于不考虑河道内的水温垂向分层，为了提高计算的效率，选用常数湍流模型，水体的黏性取为常数值１ˑ１０－６㊂状态方程选用水体密度第一定律，但由于右江为淡水河流，所以忽略盐度对水体密度的影响，仅考虑水体密度随温度的变化，因此，选
用水体密度第二定律㊂１．２．３㊀边界条件
将上游百水利枢纽和澄碧河处边界类型设为指定流量的开边界，模拟过程中澄碧河处边界流量为定值，取为３７．８ｍ３／ｓ，百水利枢纽处的流量根据百水利枢纽５月份调度情况给出日均值，为２６３．０ｍ３／ｓ㊂澄碧河处水深较浅，根据实测资料给出该处边界水温为２６．６ħ；由于５月份百水利枢纽处于取水发电期，且百水库的发电取水口位于水库的中层，根据５月份百水利枢纽坝前水温，得到百水利枢纽边界处水温为１９．９ħ㊂下游那吉水利枢纽处的边界类型设为指定水位的开边界，并给出下游那吉水利枢纽处河流边界对应的水温流量曲线文件，下游出口的水温设为自由水温㊂２㊀模拟结果与分析
计算得到的河道内沿程水温恢复情况如图２所
示㊂由图２可知，百水利枢纽处下泄冷水水温为
１９．９ħ，自百水利枢纽至东笋社区附近１５ｋｍ长河道水温升高了约０．２ħ，东笋社区附近河道
水温为２０．１ħ；郁江河道内水温自东笋社区附近至百市内澄碧河支流汇入前１０ｋｍ长河道升高了约
０．２ħ，澄碧河支流汇入前河道水温为２０．３ħ；在百市汇入水温较高的澄碧河支流（水温约２６．６ħ）后，水温迅速升高，郁江河道内水温在从百市澄碧河入口向下游约１．５ｋｍ长河道内升高了０．９ħ，郁江百市内下游断面处内的水温为２１．２ħ；河道水温在自百市澄碧河入口至晚塘村附近２５ｋｍ长郁江河段内升高了０．３ħ，晚塘村附近郁江河道水温为２１．５ħ；河道水温在自晚塘村附近断面至水埠村（实测断面４）附近１５ｋｍ长郁江河段内升高了０．４ħ，在水埠村附近的水温为２１．９ħ㊂综上可知，除入流温度较高的澄碧河支流入口附近河段外，模拟区域内其余河段内的水温升高速度均较低，相比于百市上游河段，百市下游河段内水温恢复速度更低
㊂
图２㊀模拟河段沿程水温恢复情况图
３㊀实测结果验证分析
本次实测数据采用同一年５月份百水利枢纽下游河段的数据㊂由于实测时间有区别，且河流表层温度受阳光照射影响太大，本次实测断面（实测断面位置见图２）平均温度取值时不考虑表层１ｍ以上水温㊂
如图３所示，在澄碧河汇入前，百水利枢纽坝下彩虹桥断面（实测断面１）㊁下游国道Ｇ３２３断面（实测断面２）处和下游龙旺大道断面（实测断面３）处水温平均值近似取值分别为２０．０ħ㊁２０．２ħ和２０．６ħ，实测水温恢复情况随着距离的增加水温
分别上升０．１ħ㊁０．３ħ和０．７ħ㊂根据模拟结果，该３处断面水温预测值分别为１９．９０ħ㊁１９．９５ħ和２０．３９ħ，模拟水温恢复情况随着距离的增加水温分别上升０ħ㊁０．０５ħ和０．４９ħ㊂对比模拟结果可知，３个实测断面处水温相对误差分别为０．５０％㊁
８
张海东，韦㊀兵，安贺东，等：基于ＴＥＬＥＭＡＣ－３Ｄ的水库低温水下泄河段水温恢复过程模拟预测研究㊀
１．２４％和１．０２％，模拟预测温度与实测断面处水温一致性较好㊂
㊀㊀在澄碧河（温度２６．６ħ）汇入郁江后，根据实测结果（见表１），郁江百水利枢纽下游水埠村断面（实测断面４）水温平均值近似取为２２．８ħ，实测水温恢复情况为随着距离的增加水温上升２．９ħ㊂根据模拟结果，该处断面水温预测值为２１．８６ħ，模拟水温恢复情况为水温上升１．９６ħ㊂对比模拟结果可知，该实测断面处水温相对误差为３．６８％，模拟预测温度与实测断面处水温一致性仍然较好，但与前面３个断面相比误差增加了不少
㊂图３㊀百水利枢纽５月份坝下下游水温观测结果图
表１㊀下游水埠村断面（实测断面４）５月份水温实测数据表
深度／ｍ２．０６１３．６６２４．７１６５．３０１６．１１５７．７０４８．４８７９．８７０１０．７９０１５．９７０１６．８００１７．３１０水温／ħ２２．９０２２．８８２２．８３２２．７７２２．８５２２．７９２２．６９２２．６９２２．６９２２．６９２２．６９２２．６９㊀注：测量时温度为２９．５ħ㊂
㊀㊀随着百水利枢纽下泄河段距离的增长，预测河段的不可控性增多，比如汇入河流的增多㊁地形的变化及气候的变化，以及受那吉水利枢纽回水的影响，都是造成模拟结果中的实测断面４水温恢复情况与实测结果水温恢复情况一致性相对较大的主要原因㊂此外，由于缺乏下游那吉水利枢纽在５月份的调度情况，所以在模拟过程中将下游那吉水利枢纽处边界假设为自由出流的河流开边界，该假设忽略了下游那吉水利枢纽对河道流量的调节作用，也是造成模拟结果中的水温恢复情况与实测结果水温恢复情况不一致的原因之一㊂
４㊀结语
目前国内环境影响评价行业尚未有单位利用ＴＥＬＥＭＡＣ－３Ｄ软件对水库下泄河段水温恢复过程进行模拟预测㊂本文基于ＴＥＬＥＭＡＣ－３Ｄ软件三维流场预测基本原理，模拟百水利枢纽工程低温水下泄河段的水温恢复情况，研究结果表明模拟准确性与河流沿程来水汇入复杂性㊁地形数据㊁气象㊁水文观测资料数据等密切相关㊂
参考文献：
［１］㊀张信，乾爱国，王鹏远，等．戛洒江一级水电站下泄水温对鱼类的影响［Ｊ］．环境影响评价，２０１６，３８（３）：２２－２３．［２］㊀王颖，臧林．河道水温模型及糯扎渡水库下游河道水温预测［Ｊ］．西安理工大学学报，２００３，１９（３）：２３５－２３９．［３］㊀高学平，陈弘，王鳌然，等．糯扎渡水电站多层进水口下泄水温试验研究［Ｊ］．水力发电学报，２０１０，２９（３）：１２６－１３１．［４］㊀刘军英，贾更华，韩龙喜，等．水库下游河道水温沿程分布的解析解及与其他方法的比较［Ｊ］．水资源保护，
２０１２，２８（４）：２８－３２．
［５］㊀安贺东，韦兵，朱健，等．表层排放温水在陡岸型深水中温度层化的测量与模拟［Ｊ］．水利水电技术，２０１８，４９
（４）：９９－１０８．
［６］㊀池云飞．台州湾岸滩演变分析及其滩涂围垦的可持续研究［Ｄ］．杭州：浙江大学，２０１０．
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆＷａｔｅｒＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＲｅｃｏ
ｖｅｒｙＰｒｏｃｅｓｓ
ｏｆＬｏｗＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＷａｔｅｒＤｉｓｃｈａｒｇｅｉｎＲｅｓｅｒｖｏｉｒｓＢａｓｅｄｏｎＴＥＬＥＭＡＣ－３ＤＺＨＡＮＧＨａｉｄｏｎｇ１ＷＥＩＢｉｎｇ１ＡＮＨｅｄｏｎｇ２ＺＨＵＪｉａｎ１ＹＵＧｕｏｌｉａｎｇ２
１．ＧｕａｎｇｘｉＴ－ＥｎｅｒｇｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｓｕｌｔｉｎｇＣｏ． Ｌｔｄ． Ｎａｎｎｉｎｇ Ｇｕａｎｇｘｉ ５３００２３ ２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗａｔｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｃｏｎｔｅｎｔｓｉｎｔｈｅｗａｔｅｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｍｐａｃｔｏｆｌａｒｇｅｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ｗｈｉｃｈｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｗａｔｅｒｒｅｓｏｕｒｃｅｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ．ＴａｋｉｎｇＢａｉｓｅＨｙｄｒｏＰｒｏｊｅｃｔａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ ｔｈｅａｕｔｈｏｒｓｕｓｅＴＥＬＥＭＡＣ－３Ｄｏｐｅｎｓｏｕｒｃｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｔｏｓｉｍｕｌａｔｅａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｔ
ｈｅｗａｔｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｃｏｖｅｒｙａｌｏｎｇｔｈｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｒｅａｃｈｏｆＢａｉｓｅＨｙｄｒｏＰｒｏｊｅｃｔｉｎＭａｙ ａｎｄｍａｋｅａｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｄａｔａｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｈａｓｂｅｔｔｅｒａｃｃｕｒａｃｙｗｉｔｈｉｎａｃｅｒｔａｉｎｄｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｒｅａｃｈ ａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｈａｖｅｂｅｔｔｅｒｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ．Ｉｔｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｓｏｍｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｖａｌｕｅｆｏｒｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｔｅｍｐｏｒａｌａｎｄｓｐａｔｉａｌｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｔｅｒｄｉｓｃｈａｒｇｅｄｆｒｏｍｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓａｎｄｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ＴＥＬＥＭＡＣ－３Ｄ ｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｔｅｒ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｗａｔｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｃｏｖｅｒｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＢａｉｓｅＨｙｄｒｏＰｒｏｊｅｃｔ
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